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本節我們從理論上講解 MongoDB 分布式叢集架構的三種模式，下節《将MongoDB部署到分布式叢集（實操）》我們會使用三台機器實際部署 MongoDB，帶着大家實踐一把，光說不練假把式。
MongoDB 有三種叢集部署模式，分别為主從複制（Master-Slaver）、副本集（Replica Set）和分片（Sharding）模式。
- Master-Slaver 是一種主從副本的模式，目前已經不推薦使用。
- Replica Set 模式取代了 Master-Slaver 模式，是一種互為主從的關系。Replica Set 将資料複制多份儲存，不同伺服器儲存同一份資料，在出現故障時自動切換，實作故障轉移，在實際生産中非常實用。
- Sharding 模式适合處理大量資料，它将資料分開存儲，不同伺服器儲存不同的資料，所有伺服器資料的總和即為整個資料集。
Sharding 模式追求的是高性能，而且是三種叢集中最複雜的。在實際生産環境中，通常将 Replica Set 和 Sharding 兩種技術結合使用。
主從複制
雖然 MongoDB 官方建議用副本集替代主從複制，但是本節還是從主從複制入手，讓大家了解 MongoDB 的複制機制。
主從複制是 MongoDB 中最簡單的資料庫同步備份的叢集技術，其基本的設定方式是建立一個主節點（Primary）和一個或多個從節點（Secondary），如下圖所示。
這種方式比單節點的可用性好很多，可用于備份、故障恢複、讀擴充等。叢集中的主從節點均運作 MongoDB 執行個體，完成資料的存儲、查詢與修改操作。
主從複制模式的叢集中隻能有一個主節點，主節點提供所有的增、删、查、改服務，從節點不提供任何服務，但是可以通過設定使從節點提供查詢服務，這樣可以減少主節點的壓力。
另外，每個從節點要知道主節點的位址，主節點記錄在其上的所有操作，從節點定期輪詢主節點擷取這些操作，然後對自己的資料副本執行這些操作，進而保證從節點的資料與主節點一緻。
在主從複制的叢集中，當主節點出現故障時，隻能人工介入，指定新的主節點，從節點不會自動更新為主節點。同時，在這段時間内，該叢集架構隻能處于隻讀狀态。
副本集
副本集的叢集架構如下圖所示。
此叢集擁有一個主節點和多個從節點，這一點與主從複制模式類似，且主從節點所負責的工作也類似，但是副本集與主從複制的差別在于：當叢集中主節點發生故障時，副本集可以自動投票，選舉出新的主節點，并引導其餘的從節點連接配接新的主節點，而且這個過程對應用是透明的。
可以說，MongoDB 的副本集是自帶故障轉移功能的主從複制。
MongoDB 副本集使用的是 N 個 mongod 節點建構的具備自動容錯功能、自動恢複功能的高可用方案。在副本集中，任何節點都可作為主節點，但為了維持資料一緻性，隻能有一個主節點。
主節點負責資料的寫入和更新，并在更新資料的同時，将操作資訊寫入名為 oplog 的日志檔案當中。主節點還負責指定其他節點為從節點，并設定從節點資料的可讀性，進而讓從節點來分擔叢集讀取資料的壓力。
另外，從節點會定時輪詢讀取 oplog 日志，根據日志内容同步更新自身的資料，保持與主節點一緻。
在一些場景中，使用者還可以使用副本集來擴充讀性能，用戶端有能力發送讀寫操作給不同的伺服器，也可以在不同的資料中心擷取不同的副本來擴充分布式應用的能力。
在副本集中還有一個額外的仲裁節點（不需要使用專用的硬體裝置），負責在主節點發生故障時，參與選舉新節點作為主節點。
副本集中的各節點會通過心跳資訊來檢測各自的健康狀況，當主節點出現故障時，多個從節點會觸發一次新的選舉操作，并選舉其中一個作為新的主節點。為了保證選舉票數不同，副本集的節點數保持為奇數。
分片
副本集可以解決主節點發生故障導緻資料丢失或不可用的問題，但遇到需要存儲海量資料的情況時，副本集機制就束手無策了。副本集中的一台機器可能不足以存儲資料，或者說叢集不足以提供可接受的讀寫吞吐量。這就需要用到 MongoDB 的分片（Sharding）技術，這也是 MongoDB 的另外一種叢集部署模式。
分片是指将資料拆分并分散存放在不同機器上的過程。有時也用分區來表示這個概念。将資料分散到不同的機器上，不需要功能強大的大型計算機就可以存儲更多的資料，處理更大的負載。
MongoDB 支援自動分片，可以使資料庫架構對應用程式不可見，簡化系統管理。對應用程式而言，就如同始終在使用一個單機的 MongoDB 伺服器一樣。
MongoDB 的分片機制允許建立一個包含許多台機器的叢集，将資料子集分散在叢集中，每個分片維護着一個資料集合的子集。與副本集相比，使用叢集架構可以使應用程式具有更強大的資料處理能力。
MongoDB 分片的叢集模式如下圖所示。
建構一個 MongoDB 的分片叢集，需要三個重要的元件，分别是分片伺服器（Shard Server）、配置伺服器（Config Server）和路由伺服器（Route Server）。